0022-倒傘型曝氣機(jī)設(shè)計(jì)【三維SW模型+說明書】
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開題報(bào)告
題目名稱 曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
專 業(yè)
班 級(jí)
3
一、選題的目的意義
1、我國(guó)污水處理的現(xiàn)狀和改進(jìn)曝氣裝備的必要性
經(jīng)過改革開放這些年的發(fā)展，我們國(guó)家積累了較為雄厚的物質(zhì)技術(shù)條件，人民生活條件逐年提高，我國(guó)與世界的聯(lián)系日趨緊密，綜合國(guó)力不斷提升，我國(guó)發(fā)展對(duì)世界發(fā)展的作用和影響不斷提高，國(guó)際地位顯著提升。但隨之而來的是我國(guó)人口不斷增加，資源日益匱乏，環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻。
在我國(guó)，一般的城市污水處理處理場(chǎng)所大多由提升泵房、過濾間、投藥間、鼓風(fēng)機(jī)房、污水脫泥間、雨水泵站等組成，工業(yè)、生活污水經(jīng)處理后，達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)后方可排放。
活性污泥法是最常見的污水生物處理方法，由厭氧池出來的廢水與回流的活性污泥同時(shí)進(jìn)入曝氣池，曝氣池是一個(gè)生物反應(yīng)器，通過曝氣設(shè)備充入空氣，經(jīng)過曝氣，活性污泥呈懸浮狀態(tài)，并與廢水充分接觸。廢水中的懸浮固體和膠狀物質(zhì)被活性污泥吸附，非溶解性有機(jī)物需先轉(zhuǎn)化成溶解性有機(jī)物，而后才被代謝和利用；而廢水中的可溶性有機(jī)物質(zhì)被活性污泥中的微生物用作自身繁殖的營(yíng)養(yǎng)，代謝轉(zhuǎn)化為生物細(xì)胞，大部分有機(jī)物氧化成為最終產(chǎn)物(主要是二氧化碳 和水)，廢水由此得到凈化。在二次沉淀池內(nèi)，活性污泥與已被凈化的廢水分離，處理水排放，活性污泥在污泥區(qū)內(nèi)濃縮，并以較高的濃度回流曝氣池。活性污泥中微生物所需的氧常通過鼓風(fēng)曝氣供給。曝氣的目的一是供給微生物新陳代謝所需的氧量，二是使污泥與廢水充分混合，達(dá)到攪拌的目的。當(dāng)采用旋轉(zhuǎn)推流方式曝氣時(shí)，如果風(fēng)機(jī)風(fēng)壓不夠，則達(dá)不到曝氣的目的，且池中易出現(xiàn)死角；當(dāng)要滿足曝氣的要求時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓都要提高，但動(dòng)力費(fèi)用增大。相比之下采用平推流曝氣方式，更易達(dá)到曝氣要求。
2、優(yōu)化曝氣機(jī)的目的
曝氣系統(tǒng)必須進(jìn)行控制，因?yàn)槠貧庀到y(tǒng)如果操作不當(dāng)，曝氣量過小，二次沉淀池可能由于缺氧而發(fā)生污泥腐化，即池底污泥厭氧分解，產(chǎn)生大量氣體，促使污泥上浮。當(dāng)曝氣時(shí)間長(zhǎng)或曝氣量過大時(shí)，在曝氣池中將發(fā)生高度硝化作用，使混合液中硝酸鹽濃度較高。
曝氣量的分布是否均衡和穩(wěn)定也是影響處理效果和能耗的一個(gè)重要原因。在曝氣系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于種種干擾，曝氣量的分布會(huì)發(fā)生變化，比如，一個(gè)地方曝氣頭堵塞，氣體流量會(huì)減少，同時(shí)，也會(huì)造成其它地方流量增大，相反，曝氣頭破損，氣體流量會(huì)大增，同時(shí)會(huì)造成其它地方流量銳減。這些都會(huì)使生物反應(yīng)不平衡，處理質(zhì)量下降。為達(dá)到處理效果，不得不調(diào)整曝氣量，而此時(shí)某一點(diǎn)的溶解氧的變化亦不能準(zhǔn)確反映生物池的處理狀態(tài)，使得以溶解氧為指標(biāo)的控制變得不穩(wěn)定，能耗增加。
針對(duì)曝氣系統(tǒng)上訴弊端，必須對(duì)曝氣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，以改善其性能。
3、改進(jìn)曝氣機(jī)的意義
盡管曝氣機(jī)能夠高效溶氧，運(yùn)轉(zhuǎn)無噪音，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、性能可靠，易安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但是常規(guī)曝氣機(jī)仍然有其弊端，進(jìn)行曝氣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是針對(duì)倒傘型曝氣機(jī)出現(xiàn)的常規(guī)問題，基于有限元分析的基礎(chǔ)上對(duì)曝氣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如此可以解決曝氣系統(tǒng)出現(xiàn)的常規(guī)問題，提高曝氣機(jī)曝氣效率，提升曝氣機(jī)的適應(yīng)性。
二、國(guó)內(nèi)外研究綜述
我國(guó)曝氣裝備發(fā)展：在水污染治理工程工藝中，無論是A0法、A2/0法，或是SBR法及氧化溝法，從泵站提升到 格柵攔污，從除砂到水解酸化之?dāng)嚢?，從曝氣充氧到推流循環(huán)，從污泥回流到排泥和污泥脫水， 最主要的能源消耗設(shè)備是各類水泵和曝氣設(shè)備，其次是污泥脫水與攪拌推流設(shè)備。而曝氣又是整個(gè)污水處理系統(tǒng)耗能最大的工藝段。一般而言，一個(gè)污水處理廠單為供氧曝氣而消 耗的電能就約占據(jù)全廠總能耗的50%之多。因此，曝氣機(jī)械和曝氣設(shè)備的供氧性能和能耗水平歷 來就是業(yè)界關(guān)心和重視的大事。
縱觀曝氣機(jī)械和曝氣設(shè)備的發(fā)展歷史，可以看出人們的努力方向和取得的成就。早先，污水 處理普遍使用原始的開孔型曝氣器，如擴(kuò)散板、穿孔管等，此類曝氣設(shè)備充氧性能一般，而且阻 力大，一旦堵塞，阻力更會(huì)急劇增加，其充氧性能就會(huì)明顯降低。后來，人們的注意力開始轉(zhuǎn)向 空氣釋放器的研究，逐漸開發(fā)了螺旋式曝氣器和傘形曝氣器，此類曝氣器仍屬于大氣泡曝氣器，
在70年代曾經(jīng)普遍應(yīng)用于工業(yè)廢水的生物處理^
80年代，受世界性能源危機(jī)的警示，人們開始重視節(jié)能并提高曝氣設(shè)備的充氧性能。剛玉 和鈦板的中微孔曝氣器就是在這一段時(shí)間內(nèi)誕生的，由于其性能較之老式大孔曝氣器有了較大提 高，因此一經(jīng)推出便迅速獲得廣泛的應(yīng)用、占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)環(huán)保市場(chǎng)。
90年代，國(guó)外新研發(fā)的可張孔橡膠膜微孔曝氣器（曝氣管）及鐘罩式微孔曝氣器相繼進(jìn)入 我國(guó)，又逐步取代了剛玉和鈦板的中微孔曝氣器，在國(guó)內(nèi)污水處理廠和工業(yè)廢水設(shè)施得到普遍應(yīng) 用。此類曝氣器，氧轉(zhuǎn)移系數(shù)、氧利用率、動(dòng)力效率得到很大提高，具有優(yōu)良的充氧性能，但阻 力大，易損壞，使用壽命短，維護(hù)修理非常麻煩，尤其是能耗相當(dāng)高。
從90年代開始，我國(guó)污水處理所使用的曝氣設(shè)備，除了采用鼓風(fēng)壓氣、微孔曝氣器擴(kuò)散的 底部曝氣形式外，還有鼓風(fēng)壓氣射流曝氣。機(jī)械曝氣設(shè)備中，除自吸式潛水曝氣機(jī)、泵類曝氣機(jī) 等動(dòng)態(tài)曝氣裝置外，應(yīng)用最多的就是旋轉(zhuǎn)型曝氣機(jī)。旋轉(zhuǎn)型曝氣機(jī)分為兩種類型，一種是臥軸（橫 軸）式，如：轉(zhuǎn)刷型機(jī)械表面曝氣機(jī)、轉(zhuǎn)碟型機(jī)械表面曝氣機(jī)，另一種是立軸（豎軸）式的機(jī)械 曝氣機(jī)。
其中立軸式機(jī)械曝氣機(jī)又分不同類型，一類是電機(jī)及變速機(jī)構(gòu)都潛沉在水底，通過葉輪旋轉(zhuǎn) - 產(chǎn)生負(fù)壓，自吸氣體進(jìn)入水中混合的潛水型立軸曝氣機(jī)；另一類是電機(jī)及變速機(jī)構(gòu)在上，葉輪在 水面的分體式葉輪型機(jī)械表面曝氣機(jī)；在傳統(tǒng)的立軸式葉輪曝氣機(jī)行列中，其傳動(dòng)原理或結(jié)構(gòu)差 異不大，但葉輪結(jié)構(gòu)形式又分泵（E)型葉輪、開（K)型葉輪、平板葉輪和倒傘型葉輪等。此外 還有一個(gè)類型是通過水泵吸水、注入水射器，形成噴射挾氣的泵葉輪型旋轉(zhuǎn)射流曝氣機(jī)。
上述各種類型的曝氣機(jī)都是為了相同的目的，起著同一個(gè)作用，并且全都需要大量電能供它 們消耗轉(zhuǎn)換，方能達(dá)到一定的充氧曝氣的效果，它們?cè)谶\(yùn)行中的充氧效果各有千秋，但其能耗普 遍較高。
毋庸置疑，即使有再髙級(jí)的設(shè)備而缺乏可行的工藝去應(yīng)用，設(shè)備發(fā)揮不了相應(yīng)的作用。反之，
即使最好的污水治理工藝，如果沒有相應(yīng)的設(shè)備用以保證工藝實(shí)施，也達(dá)不到工藝要求。在污水 處理行業(yè)，需要接受挑戰(zhàn)的是與先進(jìn)工藝相適應(yīng)的高效節(jié)能的曝氣設(shè)備。
三，本課題的主要內(nèi)容和擬采用的研究方法或措施
研究?jī)?nèi)容：利用三維建模軟件建立曝氣機(jī)的三維模型，針對(duì)現(xiàn)存曝氣機(jī)出現(xiàn)的常規(guī)問題利用有限元分析軟件對(duì)模型進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)曝氣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用CAE軟件生成曝氣機(jī)各零、部件及總裝配工程圖。
1、 利用SOLIDWORKS建立倒傘型曝氣機(jī)的三維模型。
2、 利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)曝氣機(jī)進(jìn)行分析。
3、 導(dǎo)入有限元分析結(jié)果對(duì)曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
4、 利用CAD生成曝氣機(jī)各零、部件及總裝配工程圖。
四、 主要參考文獻(xiàn)與資料獲得情況
1 曹瑞鈺,陳秀成,張煥文. 大功率倒傘型曝氣機(jī)性能檢測(cè)和研究[J]. 給水排水. 2002(10)
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3 陳同德. QSB型深水曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化. 2009(02)
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7 陳陽,鄭源,張?chǎng)午?袁明,楊青. 倒傘型曝氣機(jī)數(shù)值模擬研究[J]. 人民長(zhǎng)江. 2010(03)
8 張?chǎng)午? 倒傘型復(fù)合葉輪曝氣機(jī)特點(diǎn)及應(yīng)用[J]. 給水排水動(dòng)態(tài). 2006(04)
五、 指導(dǎo)教師審批意見
指導(dǎo)教師簽名 年 月 日
葉片曝氣機(jī)的性能評(píng)價(jià)
Avinash Kumar, S. Moulick*, B.C. Mal
摘要：曝氣實(shí)驗(yàn)是在一塊磚砌筑罐體的尺寸5.25 m*2.87米*1.57米螺旋槳軸的位置的角度（a）中水淹深度和標(biāo)準(zhǔn)曝氣效率的螺旋槳式吸氣器泵曝氣器（SAE）的軸的旋轉(zhuǎn)速度的影響進(jìn)行研究。非三維數(shù)字相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)曝氣效率（SAE）和E和NE，分別稱為線功率（P），提出了建議。要評(píng)價(jià)的最佳的幾何條件，即螺旋槳軸的位置角（一），曝氣實(shí)驗(yàn)進(jìn)行：30度，45度，60度，75度和90度的不同的值，保持轉(zhuǎn)速N的（2130rpm）和沉沒度螺旋槳軸D（300毫米）為常數(shù)。結(jié)果表明，SAE成為最大=75度。以類似的方式，幾何條件保持不變（α=75），再進(jìn)行曝氣實(shí)驗(yàn)，在不同的螺旋槳軸的轉(zhuǎn)速，N（1420，1775，2130，2485和2840轉(zhuǎn)）和沉沒度，D的不同值（140，220，300，380和460毫米），以評(píng)估曝氣特性的動(dòng)態(tài)條件下的效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電子以及氖弗勞德數(shù)（FR）和雷諾數(shù)（Re），能夠很好地與。最后，最大SAE獲得0.42公斤O2/kWh的位置角度75度，轉(zhuǎn)速螺旋槳軸轉(zhuǎn)速2840rpm和淹沒深度0.14米。
引言
曝氣機(jī)是集約化養(yǎng)殖系統(tǒng)，以滿足對(duì)氧氣的需求的文化環(huán)境的重要組成部分。增氧機(jī)增加了空氣和水之間的界面面積，從而提高了氧的傳遞，同時(shí)提供循環(huán)水，防止水體分層（Boyd和馬丁森，1984）。多年來，已開發(fā)了多種類型的增氧機(jī)，池塘水中的溶解氧濃度的氧傳質(zhì)過程，努力提高能源效率，以維持所需的水平。為了滿足曝氣要求，常用的兩大方法：（1）由立式泵的初始曝氣，pumpsprayer，級(jí)聯(lián)和葉輪曝氣器和（2）鼓泡曝氣擴(kuò)散空氣的系統(tǒng)和螺旋槳吸氣器泵。立式泵，泵式噴霧器，螺旋槳吸氣器泵，槳輪，擴(kuò)散空氣的系統(tǒng)可能是最廣泛使用的曝氣機(jī)在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域（博伊德，1998年）。發(fā)現(xiàn)葉輪增氧機(jī)曝氣效率和循環(huán)（Rappaport等人，1976; Boyd和艾哈邁德，1987年），是最有效的增氧機(jī)。然而，在小池塘，垂直泵增氧機(jī)，螺旋槳抽吸泵增氧機(jī)，和空氣擴(kuò)散曝氣器較為常用，比槳輪增氧機(jī)，由于經(jīng)濟(jì)原因（博伊德，1998）。螺旋槳抽吸泵（1-3 HP）是成本最低的系統(tǒng)池塘不到2公頃的規(guī)模相比其他曝氣系統(tǒng)（恩格爾，1989）。
螺旋槳式吸氣器泵曝氣機(jī)通過旋轉(zhuǎn)的空心軸，該軸被連接到電動(dòng)機(jī)上的一端，并在其另一端，它被淹沒在水中的螺旋槳式繪制大氣?；旧下菪龢铀偎乃俣雀叩阶阋砸鹇浔砻鎵毫ο陆?。這將迫使空氣通過在中空軸中的擴(kuò)散器，作為微小氣泡的水進(jìn)入。如此形成的微小氣泡，由推進(jìn)器產(chǎn)生的渦流（Boyd和馬丁森，1984），由于與水充分混合的。
螺旋槳式擴(kuò)散器的制造在各種從0.37toover11kW尺寸。在實(shí)踐中，浮動(dòng)支持電機(jī)和軸與水面成一角度，角度可以調(diào)整，以在任一深或淺的水的條件下操作。 Boyd和馬丁森（1984）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)淺盆（1.04米水深）0.38,1.5 and2.24千瓦容量的螺旋槳抽吸泵增氧機(jī)，并發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)曝氣效率（SAE）介于1.73和1.91之間公斤O2/kWh。被認(rèn)為是最大的曝氣效率發(fā)生在中空軸308的位置角度。有人還指出，螺旋槳的抽吸泵在混合的池塘water.Ruttanagosrigit等有效。 （1991）發(fā)現(xiàn)，螺旋槳抽吸泵增氧機(jī)轉(zhuǎn)讓氧對(duì)水的更efficientlyat的鹽度為10-30個(gè)百分點(diǎn)，比在鹽度較低。關(guān)于擴(kuò)散器曝氣系統(tǒng)，瓦格納和寶¨象素（1998）指出，體積的氧傳輸速率VOTR [g/m3h]可以淹沒深度的增加而增加，在相同的空氣流率?？参髦Z等。 （2004）和坎西諾（2004A，B）設(shè)計(jì)和開發(fā)出高效率離心式增氧機(jī)的魚塘表面。理論的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)采用了傳統(tǒng)的傳質(zhì)方程和機(jī)械的方法使用的增氧機(jī)，表面上相似軸流泵。基于三維分析，增氧機(jī)的行為表示作為一般方程。得出的結(jié)論是曝氣效率提高的弗勞德數(shù)，但是負(fù)相關(guān)的螺旋槳的速度和直徑。最多SAE的0.805公斤O2/kWh得到“動(dòng)力學(xué)3”螺旋槳用直徑94毫米，入口角為118和258，在10℃的出射角。 Vinatea和卡瓦略（2007）上進(jìn)行曝氣實(shí)驗(yàn)槳輪（PW）和螺旋槳抽吸泵（PAP）曝氣機(jī)在不同的鹽度。這些結(jié)果表明，曝氣效率降低超過30個(gè)百分點(diǎn)，鹽度。
螺旋槳抽吸泵增氧機(jī)上進(jìn)行的研究工作主要集中在以下幾個(gè)方面：（一）位置角度螺旋槳軸螺旋槳抽吸泵，曝氣效率接近最大（Boyd和馬丁森，1984），（二）比較曝氣性能螺旋槳熱望器泵增氧機(jī)，噴霧型表面曝氣機(jī)和空氣擴(kuò)散曝氣裝置不同的額定功率（Boyd和馬丁森，1984）及（iii）螺旋槳抽吸泵增氧機(jī)曝氣性能在不同的鹽度（Ruttanagosrigit等，1991; Vinatea和卡瓦略，2007）。的螺旋槳式吸氣器泵曝氣裝置的曝氣性能依賴于螺旋槳軸的位置角的軸，轉(zhuǎn)速的螺旋槳和螺旋槳的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，淹沒深度。但是，沒有研究已報(bào)道曝氣效率的螺旋槳的螺旋槳軸和旋轉(zhuǎn)速度的影響，淹沒。鑒于以上幾點(diǎn)，保持目前的調(diào)查集中在確定各種幾何曝氣效率螺旋槳抽吸泵增氧機(jī)（品牌：南榮海有限公司，臺(tái)灣）和動(dòng)態(tài)條件下的效果。
2.理論分析
曝氣裝置的標(biāo)準(zhǔn)氧氣傳輸率（SOTR）定義為該裝置在標(biāo)準(zhǔn)條件下（208C水的溫度，初始溶解氧濃度0 mg / L時(shí)，一個(gè)大氣壓的氧氣的質(zhì)量定義為和清晰的自來水，APHA，1980）：
單位時(shí)間引入的水的體體積：
SOTR=標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移率（公斤O2/小時(shí)），=在條件下的總氧傳遞系數(shù) =總氧轉(zhuǎn)移系數(shù)， =溫度校正系數(shù)= 1.024純凈水，C*=實(shí)驗(yàn)條件下的飽和值（毫克/升），= 在時(shí)間t = 0時(shí)DO濃度（毫克/升），9.07=在20攝氏度和一個(gè)大氣壓下飽和值DO（毫克/升），V=曝氣池容積（m3）。這是一個(gè)重要的參數(shù)，用于比較曝氣機(jī)。一個(gè)更好的比較參數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)的曝氣效率（SAE），它被定義為每單位功率（Lawson和風(fēng)流，1993）SOTR。
(2)
其中 p=線功率（kw).
2.1 三維分析
曝氣工藝的基本多維分析已經(jīng)提出了許多調(diào)查（1956年埃肯費(fèi)爾德Schmidtke和霍瓦特，1976; Zlokarnik，1979; Banks等，1983;霍瓦特，1984 SIMHA，1991 Ognean，1993年，饒，1999年;。Moulick等，2002,2005;坎西諾等人，2004;坎西諾，2004年，B和Mal Moulick，2009）。Zlokarnik（1979）指出的主要參數(shù)的吸收過程是吸收率系數(shù)kLa20的？V，表示為
其中。
SOTR/ DC和變量之間的函數(shù)關(guān)系可以表示為：
其中=螺旋槳軸的位置角，d=螺旋槳軸的沉沒度，即，在水面和水吸入孔之間的距離; V=水在水箱中的體積-，N =螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度;g =由于重力的加速度;=空氣質(zhì)量密度; =水的密度;=水的運(yùn)動(dòng)粘度 ，=水的表面張力。
基于白金漢宮P定理，公式（4）可以表示如下：
其中Y =吸收數(shù)= SOTR*，Nd2/=雷諾數(shù)（RE），=韋伯?dāng)?shù)（W）。因?yàn)槠貧鉁y(cè)試幾乎在相同的系統(tǒng)上進(jìn)行（純水 - 空氣）。和保持不變，在曝氣池中，隨后可以從方程（5）被刪去。
埃利奧特（1969）預(yù)計(jì)的曝氣器功率與水的體積比小于0.1 kW/m3。因此，在本研究中，根據(jù)螺旋槳的功率消耗，選擇合適的水的體積，以滿足上述條件。因此，術(shù)語也被從式（5）中刪去。因此，簡(jiǎn)化方程（5）的結(jié)果為：
在一般情況下，一個(gè)給定的螺旋槳吸氣器泵曝氣裝置的消耗功率P，取決于相同的參數(shù)。以類似的方式，利用三維分析，功耗P的關(guān)系為：
其中
盡管標(biāo)準(zhǔn)曝氣效率（SAE）是一個(gè)更好的比較參數(shù)增氧機(jī)的性能評(píng)價(jià)（
，1993），也有人表示無量綱的形式吸收的（E）除以數(shù)量（Y）與功率準(zhǔn)數(shù)（NE），如下所示：
或者
或者
2.1.1 幾何相似
幾何相似性的要求，所有的線性模型的比率與在一個(gè)特定的動(dòng)態(tài)條件下相應(yīng)于比例的原型。Fr和Re從而保持恒定（即，保持在軸的旋轉(zhuǎn)速度N和螺旋槳沉沒度D為常數(shù)），動(dòng)態(tài)條件可以被保持恒定，其后E和一個(gè)可以找到在不同層次發(fā)生變化。因此，E成為最大的可確定的最佳值。曝氣的水的體積可以被決定后于 Elliott（1969）。
2.1.2 動(dòng)力相似
獲取動(dòng)態(tài)在幾何相似的系統(tǒng)的模型和原型之間的相似性，所有作用的液體上的力必須承擔(dān)在兩個(gè)系統(tǒng)中的相同的比例。在曝氣過程中的慣性，重力和粘性力表示由兩個(gè)無量綱數(shù)：弗勞德（FR）和雷諾茲（Re）。對(duì)于動(dòng)態(tài)的相似性，這兩個(gè)數(shù)應(yīng)該是相同的模型和原型。一旦的值是固定的，Ne和E的值依賴于動(dòng)態(tài)參數(shù)：Fr和Re。因此，式（7）和（10）可以表示為：
3、 材料與方法
本節(jié)所介紹的實(shí)驗(yàn)裝置的詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟如下：
曝氣實(shí)驗(yàn)是在尺寸為5.25 m*2.87米*1.57米的一塊磚砌筑罐體進(jìn)行的。測(cè)試曝氣裝置由括南榮海有限公司高速2840轉(zhuǎn)的惠普，3相異步電動(dòng)機(jī)，臺(tái)灣制造螺旋槳抽吸泵增氧機(jī)（22公斤，440 V，3.3 A）組成。螺旋槳的規(guī)格如下：（1）材料為高密度聚乙烯（HDP），（ⅱ）槳的數(shù)量為4，（ⅲ）總直徑100毫米，（ⅳ）入口和出口角度15度和25度，（五）內(nèi)層和外層中的槳寬為27和50毫米，（vi）葉片的長(zhǎng)度為30毫米。螺旋槳與電動(dòng)機(jī)通過一個(gè)700毫米長(zhǎng)的軸固定，并與電機(jī)連接。曝氣器安裝在支持制造使用四個(gè)直徑40毫米和的1.60米長(zhǎng)的的罐的中心中（如圖1）。
由于電動(dòng)機(jī)的最大速度是每分鐘2840轉(zhuǎn)的，它需要以不同的速度，以評(píng)估其性能，基于頻率的速度控制器被連接到電機(jī)15米，3相電纜來控制速度達(dá)到所需的值。
傳動(dòng)軸＃（傾斜軸與水平面）的位置角度，通過改變連接到支撐結(jié)構(gòu)上的臂的位置是可以改變的。由于曝氣吸力空氣進(jìn)入螺旋槳軸A。進(jìn)入孔B的水與空氣充分混合，并最終濺入大氣。這樣的水曝氣便產(chǎn)生了。淹沒的深度（d）通過旋轉(zhuǎn)主軸的結(jié)構(gòu)是可以改變的。
圖1、實(shí)驗(yàn)設(shè)置螺旋槳抽吸泵增氧機(jī)測(cè)試
3.2 曝氣測(cè)試
在一個(gè)具體的容器，使用干凈的自來水進(jìn)行氧傳遞試驗(yàn)。最初的自來水進(jìn)行脫氧使用0.1毫克/ 升的氯化鈷和10毫克/升的亞硫酸鈉，存在于水中的溶解氧為每1毫克/升，（博伊德，1998），其后的曝氣裝置工作在所需的條件下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。溶解氧測(cè)量采取了使用兩個(gè)YSI專業(yè)加DO米定位在中間螺旋槳和罐的對(duì)角點(diǎn)之間距離水表面都是0.2m（Baylar等人，2007），在一定的時(shí)間間隔，直到DO從零增大到約80％的飽和度。在相等的時(shí)間間隔至少有20個(gè)DO測(cè)量。 DO赤字計(jì)算每個(gè)時(shí)間。DO Y軸和X軸的曝氣時(shí)間的赤字在測(cè)試水溫20攝氏度使用溫度校正系數(shù)的調(diào)整了傳氧系數(shù)的自然對(duì)數(shù)作圖得到的最佳擬合線的斜率。最后SOTR和SAE的值的計(jì)算式分別為（1）和（2）。
3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
3.3.1 螺旋槳軸位置的角度對(duì)氧轉(zhuǎn)移的影響
為取得一個(gè)最佳值，曝氣測(cè)試進(jìn)行了螺旋槳吸氣器泵曝氣器定位在五個(gè)不同的位置的角度（一）：90度，75度，60度，45度和30度。保持的動(dòng)態(tài)條件下（軸的旋轉(zhuǎn)速度，N和淹沒深度的螺旋槳，D）不變（第2.1.1節(jié)）。軸的轉(zhuǎn)速（N）固定在每分鐘2130轉(zhuǎn)，淹沒深度固定為300毫米（四）沉沒度。在每一種情況下，保持水曝氣（V）的體積，以滿足：）
3.3.2 氧轉(zhuǎn)移和功耗上的動(dòng)態(tài)條件下的影響（FR和Re）
同時(shí)變化保持最佳值（從以前的一組實(shí)驗(yàn)獲得）常數(shù)，N和D，E和NE找出不同的動(dòng)態(tài)條件下的效果。為N和d的變化范圍是從1420到2840轉(zhuǎn)（在每分鐘355轉(zhuǎn)的時(shí)間間隔）和140至460毫米（80毫米的間隔時(shí)），分別達(dá)25組實(shí)驗(yàn)。以類似的方式，如在3.3.1節(jié)中所述的充氣水的體積是固定的。
圖2、E與螺旋槳軸的位置角度變化
4、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
4.1 螺旋槳軸最佳的位置的角度的（）的測(cè)定
曝氣測(cè)試對(duì)不同的值進(jìn)行測(cè)試（第3.3.1節(jié)）。圖2所示可以看出E的典型變化。它被認(rèn)為是從圖中所有的點(diǎn)，可以很好地嵌合在30-90度的范圍內(nèi)的變化與由一個(gè)二階多項(xiàng)式方程：
從變化趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)于它的值E值的峰值，是75度。在這種情況下，E是直接正比于SAE為N和d分別保持為常數(shù)。因此，最佳位置的角度也對(duì)應(yīng)于最大SAE。
4.2 氧轉(zhuǎn)移和功耗上的動(dòng)態(tài)條件下的影響（FR和Re）
在不同的動(dòng)態(tài)條件下，隨著E和NE值的變化n和d也跟著變化，而（75度）的優(yōu)化值保持為一個(gè)常數(shù)（第3.3.2節(jié)）。
4.2.1 Re和Fr對(duì)E的影響
E和再和E和Fr之間的關(guān)系示于圖3和圖4。從圖3中可以看出，該數(shù)據(jù)從不同的水淹深度不同的曲線，表示的尺度效應(yīng)再E.所有的曲線示出了再研究的范圍內(nèi)的指數(shù)增加了E。然而，圖4揭示由下面的公式暗示E和神父之間的獨(dú)特關(guān)系，能夠很好地滿足E配有FR。
上面的方程是有效式為，因此，可以看出，規(guī)模的影響更加明顯，如果再使用標(biāo)準(zhǔn)相比，到Fr準(zhǔn)則E上，這可能是由于這樣的事實(shí)，重力比粘性力作為氧轉(zhuǎn)移中起著重要作用發(fā)現(xiàn)了早期的調(diào)查表面曝氣機(jī)（）
圖3、E雷諾準(zhǔn)則的影響
圖4、E福祿準(zhǔn)則的影響
圖5、雷諾標(biāo)準(zhǔn)功率準(zhǔn)數(shù)Ne
4.2.2 Re和Fr對(duì)Ne的影響
Re和Fr對(duì)Ne的影響分別如圖5和圖6所示。從圖5中可以看出，不同的水淹深度的數(shù)據(jù)點(diǎn)彼此接近，由下面的公式，可以很好地?cái)M合：
但是，F(xiàn)r和Ne之間沒有特別的關(guān)系（圖6），沒有有效的解釋可以提供這種差異。
圖6、福祿標(biāo)準(zhǔn)功率準(zhǔn)數(shù)Ne
4.3 最佳的動(dòng)態(tài)條件螺旋槳抽吸泵增氧機(jī)
要到達(dá)一個(gè)特定的動(dòng)態(tài)條件下，產(chǎn)生最大的SAE，E的SAE（式（9）），假設(shè)水溫以20攝氏度，g值9.81 ，為9.07毫克/L，為1000 kg/m3，等同于式（14）和下面的表達(dá)式獲得：
（16）
上面的方程是有效式為 105.057.在上面的公式中替換 ，無約束的非線性規(guī)劃隨后使用WinQSB（1.00版本），以確定n和d的值，SAE是最大值。
SAE的最大值被認(rèn)為是在螺旋槳軸沉沒度為0.42公斤 ，d =0.14 m和轉(zhuǎn)速N =2837.59-2840轉(zhuǎn)。要計(jì)算耗電量式（15）可以被改寫，代，（假設(shè)水溫= 20攝氏度），，，和，如下所示：
因此，
因此，最大SAE——0.42千克O2/kWh和相應(yīng)的SOTR——0.15公斤O2/小時(shí)，可以通過以下方式控制螺旋槳吸氣器泵曝氣裝置在沉沒度，d=0.14 m和轉(zhuǎn)速N =2840轉(zhuǎn)每分鐘。
Boyd和（1984）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，螺旋槳抽吸泵增氧機(jī)（艾爾曝氣機(jī)）并發(fā)現(xiàn)SAE介于1.73和1.91。本研究的結(jié)果表明，臺(tái)灣螺旋槳式增氧機(jī)品牌南榮海有限公司能夠?qū)崿F(xiàn)只有0.42最大SAE。因此，其設(shè)計(jì)，特別是用于研究的螺旋槳需要修改或更換，可以實(shí)現(xiàn)更高的效率，所以有必要對(duì)今后的研究中設(shè)計(jì)出各種各樣的螺旋槳。
5、 結(jié)論
螺旋槳抽吸泵增氧機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，旨在評(píng)估會(huì)導(dǎo)致增氧機(jī)的最高效率的最佳條件。提出了基于三維分析，無量綱數(shù)，E和Ne分別為標(biāo)準(zhǔn)曝氣效率（SAE）和電線功率（P）。保持的動(dòng)態(tài)條件不變的情況下，實(shí)驗(yàn)是在不同的螺旋槳軸的位置角度（）進(jìn)行測(cè)試的。測(cè)試的最佳值75度，在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，在不同的動(dòng)態(tài)條件下，測(cè)試結(jié)果保持恒定（75度）。結(jié)果表明，E和Ne分別與FR和Re正相關(guān)。分別在轉(zhuǎn)速（N)為2840 rpm，水淹深度（d）為0.14米，螺旋槳軸75度的位置角度條件下，最大SOTR和SAE結(jié)果為0.15和0.42。
題 目 曝氣機(jī)
倒傘型曝氣機(jī)設(shè)計(jì)
摘要
隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)認(rèn)識(shí)的逐漸加強(qiáng)，對(duì)水質(zhì)的要求也越來越高，污水處理技術(shù)也成為廣大專家和學(xué)者所重視。在污水處理中，生化處理法是眾多方法中經(jīng)濟(jì)且有效的方法之一倒傘型曝氣機(jī)是污水生化處理法中為處理污水提供足夠溶氧和推流作用的關(guān)鍵設(shè)備。由于倒傘型曝氣機(jī)工作環(huán)境惡劣、工作時(shí)間長(zhǎng)（24h/天）、主軸跨距大、設(shè)備復(fù)雜，因此維護(hù)不方便；針對(duì)倒傘型曝氣機(jī)出現(xiàn)的常規(guī)問題，對(duì)倒傘型曝氣機(jī)的主要部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對(duì)曝氣機(jī)的主要部件進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度、熱變形和穩(wěn)定性校核，對(duì)主軸和葉輪進(jìn)行了簡(jiǎn)單的有限元分析，以直觀地顯示其強(qiáng)度、剛度是否滿足要求，從而提高了倒傘型曝氣機(jī)的曝氣效率和使用壽命，也提高了倒傘型曝氣機(jī)的性能，且優(yōu)化了倒傘型曝氣機(jī)的結(jié)構(gòu)，使得曝氣機(jī)的裝拆變得簡(jiǎn)單，減少了維護(hù)工作量，降低了維護(hù)難度和費(fèi)用，提高了倒傘型曝氣機(jī)的適應(yīng)性，有助于倒傘型曝氣機(jī)的推廣使用。
關(guān)鍵詞：倒傘曝氣機(jī) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 曝氣效率
Abstract
With the increasing recognizant of environmental protection, quality of water is increasingly higher and higher；the experts take wastewater treatment technology into account. It was one of the powerful ways to use biochemical treatment in wastewater treatment. Aeration reactor is the key facility to supply adequacy-dissolved oxygen for process-polluted water in ways of biochemical sewage treatment.Since inverted umbrella aerator poor working conditions, long working hours (24h / day), spindle span large, complex equipment, so maintenance is not convenient.To solve general questions found in inverted umbrella aerators ,the main components of inverted umbrella aerators should be optimized.And aerators were the main components of strength, stiffness, heat distortion and stability check on the spindle and the impeller of a simple finite element analysis to visually display its strength, stiffness meets the requirements, thus improving the pour umbrella aerator aeration efficiency and service life, but also improve the inverted umbrella aerator performance.Because inverted umbrella aerator structure have been optimized, it makes it easy assembly and disassembly aerators, reducing the maintenance workload, reducing the difficulty and cost of maintenance, improved inverted umbrella aerator adaptability, there inverted umbrella help promote the use of aerators.
Keywords: inverted umbrella aeration;structure optimization;
aeration efficiency
目 錄
1. 緒論 5
1.1前言 5
1.1.1 我國(guó)污水處理的現(xiàn)狀和改進(jìn)曝氣裝備的必要性。 5
1.1.2、優(yōu)化曝氣機(jī)的目的 5
1.1.3、改進(jìn)曝氣機(jī)的意義 6
1.2曝氣機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史 6
1.3 倒傘型曝氣機(jī)的應(yīng)用 7
1.4 本文研究?jī)?nèi)容 7
2、曝氣機(jī)工作原理 8
2.1.2潛水曝氣機(jī)（立式） 8
2.1.3轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)（水平軸） 9
2.1.4倒傘曝氣機(jī)（豎直軸） 9
2.2曝氣機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理分析 11
2.2.1曝氣機(jī)的結(jié)構(gòu) 11
2.2.2 倒傘形曝氣機(jī)工作原理 11
2.2.3 曝氣池結(jié)構(gòu)要求 12
3.倒傘形曝氣機(jī)工作條件和工作特性 12
3.1 主軸撓度 12
3.2 主軸軸向伸縮量 12
3.3軸向力 13
3.4軸承布置 13
3.5葉輪葉片 13
4.倒傘型曝氣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 14
4.1 主軸 14
4.2 聯(lián)軸器 15
4.3 軸承布置 16
4.4 葉輪葉片 16
5.曝氣機(jī)強(qiáng)度校核 18
5.1曝氣機(jī)主軸校核 18
5.1.1曝氣機(jī)主軸強(qiáng)度校核 18
5.1.2曝氣機(jī)主軸剛度校核 19
5.1.3 曝氣機(jī)主軸壓桿穩(wěn)定性校核 20
5.2曝氣機(jī)調(diào)心滾子軸承壽命校核 21
5.3曝氣機(jī)聯(lián)軸器強(qiáng)度校核 22
5.4 曝氣機(jī)鍵連接強(qiáng)度校核 23
5.4.1電機(jī)與聯(lián)軸器鍵連接強(qiáng)度校核計(jì)算 23
5.4.2聯(lián)軸器與主軸鍵連接強(qiáng)度校核計(jì)算 24
5.4.3主軸與葉輪鍵連接強(qiáng)度計(jì)算 24
6.倒傘型曝氣機(jī)的有限元分析 24
6.1 曝氣機(jī)主軸的有限元分析 25
6.2倒傘型曝氣機(jī)葉輪有限元分析 27
7.致謝詞 34
8. 參考文獻(xiàn) 34
1. 緒論
隨著城市化進(jìn)程的加快，生活中各種污水的排放也越來越多，與此同時(shí)，污水的處理愈來愈成為廣為關(guān)注的問題，而怎樣提高污水處理的效率，成為污水處理中的一個(gè)關(guān)鍵性的問題。現(xiàn)今，曝氣污水處理系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，而曝氣效率則成為曝氣污水處理系統(tǒng)效率的重要指標(biāo)，曝氣效率又由曝氣機(jī)直接決定，因此，曝氣機(jī)效率是曝氣系統(tǒng)污水處理效率的關(guān)鍵指標(biāo)。為提高曝氣機(jī)的曝氣效率，本文比較分析了幾種具有代表性的曝氣機(jī)，分別分析其優(yōu)劣和應(yīng)用范圍，并利用現(xiàn)有高曝氣效率的理論，設(shè)計(jì)出一種具有高曝氣效率的新型倒傘型曝氣機(jī)，并針對(duì)曝氣機(jī)出現(xiàn)的常規(guī)問題，對(duì)曝氣機(jī)的主要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、強(qiáng)度校核計(jì)算、剛度校核計(jì)算、熱變形校核計(jì)算和優(yōu)化分析，從而提高曝氣機(jī)的質(zhì)量和使用壽命，使曝氣機(jī)的裝拆簡(jiǎn)單，成本降低，減少了日常維護(hù)量。
1.1前言
1.1.1 我國(guó)污水處理的現(xiàn)狀和改進(jìn)曝氣裝備的必要性。
經(jīng)過改革開放這些年的發(fā)展，我們國(guó)家積累了較為雄厚的物質(zhì)技術(shù)條件，人民生活條件逐年提高，我國(guó)與世界的聯(lián)系日趨緊密，綜合國(guó)力不斷提升，我國(guó)發(fā)展對(duì)世界發(fā)展的作用和影響不斷提高，國(guó)際地位顯著提升。但隨之而來的是我國(guó)人口不斷增加，資源日益匱乏，環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻。在我國(guó)，一般的城市污水處理處理場(chǎng)所大多由提升泵房、過濾間、投藥間、鼓風(fēng)機(jī)房、污水脫泥間、雨水泵站等組成，工業(yè)、生活污水經(jīng)處理后，達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)后方可排放。
活性污泥法是最常見的污水生物處理方法，由厭氧池出來的廢水與回流的活性污泥同時(shí)進(jìn)入曝氣池，曝氣池是一個(gè)生物反應(yīng)器，通過曝氣設(shè)備充入空氣，經(jīng)過曝氣，活性污泥呈懸浮狀態(tài)，并與廢水充分接觸。廢水中的懸浮固體和膠狀物質(zhì)被活性污泥吸附，非溶解性有機(jī)物需先轉(zhuǎn)化成溶解性有機(jī)物，而后才被代謝和利用；而廢水中的可溶性有機(jī)物質(zhì)被活性污泥中的微生物用作自身繁殖的營(yíng)養(yǎng)，代謝轉(zhuǎn)化為生物細(xì)胞，大部分有機(jī)物氧化成為最終產(chǎn)物(主要是二氧化碳 和水)，廢水由此得到凈化。在二次沉淀池內(nèi)，活性污泥與已被凈化的廢水分離，處理水排放，活性污泥在污泥區(qū)內(nèi)濃縮，并以較高的濃度回流曝氣池?；钚晕勰嘀形⑸锼璧难醭Ｍㄟ^鼓風(fēng)曝氣供給。曝氣的目的一是供給微生物新陳代謝所需的氧量，二是使污泥與廢水充分混合，達(dá)到攪拌的目的。
1.1.2 優(yōu)化曝氣機(jī)的目的
曝氣系統(tǒng)必須進(jìn)行控制，因?yàn)槠貧庀到y(tǒng)如果操作不當(dāng)，曝氣量過小，二次沉淀池可能由于缺氧而發(fā)生污泥腐化，即池底污泥厭氧分解，產(chǎn)生大量氣體，促使污泥上浮。當(dāng)曝氣時(shí)間長(zhǎng)或曝氣量過大時(shí)，在曝氣池中將發(fā)生高度硝化作用，使混合液中硝酸鹽濃度較高。
曝氣量的分布是否均衡和穩(wěn)定也是影響處理效果和能耗的一個(gè)重要原因。在曝氣系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于種種干擾，曝氣量的分布會(huì)發(fā)生變化，比如，一個(gè)地方曝氣頭堵塞，氣體流量會(huì)減少，同時(shí)，也會(huì)造成其它地方流量增大，相反，曝氣頭破損，氣體流量會(huì)大增，同時(shí)會(huì)造成其它地方流量銳減。這些都會(huì)使生物反應(yīng)不平衡，處理質(zhì)量下降。為達(dá)到處理效果，不得不調(diào)整曝氣量，而此時(shí)某一點(diǎn)的溶解氧的變化亦不能準(zhǔn)確反映生物池的處理狀態(tài)，使得以溶解氧為指標(biāo)的控制變得不穩(wěn)定，能耗增加。
曝氣機(jī)的壽命和質(zhì)量對(duì)曝氣系統(tǒng)的影響很大，在曝氣系統(tǒng)中，曝氣機(jī)是曝氣系統(tǒng)的核心設(shè)備，所以一旦曝氣機(jī)有所耗損，曝氣系統(tǒng)則必須停止運(yùn)行，對(duì)曝氣機(jī)進(jìn)行整修，而曝氣系統(tǒng)往往24h運(yùn)行，一旦停止運(yùn)作，將對(duì)污水處理產(chǎn)生重大影響，所以如何優(yōu)化曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)，提高曝氣機(jī)的質(zhì)量和壽命至關(guān)重要。
針對(duì)曝氣系統(tǒng)上訴弊端，必須對(duì)曝氣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，以改善其性能。
1.1.3 改進(jìn)曝氣機(jī)的意義
盡管曝氣機(jī)能夠高效溶氧，運(yùn)轉(zhuǎn)無噪音，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、性能可靠，易安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但是常規(guī)曝氣機(jī)仍然有其弊端，進(jìn)行曝氣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是針對(duì)曝氣機(jī)出現(xiàn)的常規(guī)問題，對(duì)曝氣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)曝氣機(jī)主要部件進(jìn)行必要的強(qiáng)度分析、剛度分析、熱力分析和穩(wěn)定性分析，以解決曝氣系統(tǒng)出現(xiàn)的常規(guī)問題，提高曝氣機(jī)曝氣效率、質(zhì)量和使用壽命，并使曝氣機(jī)裝拆方便，運(yùn)行可靠，降低成本，提升曝氣機(jī)的適應(yīng)性。
1.2 曝氣機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史
早先，污水處理普遍使用原始的開孔型曝氣器，如擴(kuò)散板、穿孔管等，此類曝氣設(shè)備充氧性能一般，而且阻力大，一旦堵塞，阻力更會(huì)急劇增加，其充氧性能就會(huì)明顯降低。后來，人們的注意力開始轉(zhuǎn)向空氣釋放器的研究，逐漸開發(fā)了螺旋式曝氣器和傘形曝氣器，此類曝氣器仍屬于大氣泡曝氣器，在70年代曾經(jīng)普遍應(yīng)用于工業(yè)廢水的生物處理。
80年代，受世界性能源危機(jī)的警示，人們開始重視節(jié)能并提高曝氣設(shè)備的充氧性能。剛玉和鈦板的中微孔曝氣器就是在這一段時(shí)間內(nèi)誕生的，由于其性能較之老式大孔曝氣器有了較大提高，因此一經(jīng)推出便迅速獲得廣泛的應(yīng)用、占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)環(huán)保市場(chǎng)。
90年代，國(guó)外新研發(fā)的可張孔橡膠膜微孔曝氣器（曝氣管）及鐘罩式微孔曝氣器相繼進(jìn)入我國(guó)，又逐步取代了剛玉和鈦板的中微孔曝氣器，在國(guó)內(nèi)污水處理廠和工業(yè)廢水設(shè)施得到普遍應(yīng)用。此類曝氣器，氧轉(zhuǎn)移系數(shù)、氧利用率、動(dòng)力效率得到很大提高，具有優(yōu)良的充氧性能，但阻力大，易損壞，使用壽命短，維護(hù)修理非常麻煩，尤其是能耗相當(dāng)高。
從90年代開始，我國(guó)污水處理所使用的曝氣設(shè)備，除了采用鼓風(fēng)壓氣、微孔曝氣器擴(kuò)散的底部曝氣形式外，還有鼓風(fēng)壓氣射流曝氣。機(jī)械曝氣設(shè)備中，除自吸式潛水曝氣機(jī)、泵類曝氣機(jī) 等動(dòng)態(tài)曝氣裝置外，應(yīng)用最多的就是旋轉(zhuǎn)型曝氣機(jī)。旋轉(zhuǎn)型曝氣機(jī)分為兩種類型，一種是臥軸（橫 軸）式，如：轉(zhuǎn)刷型機(jī)械表面曝氣機(jī)、轉(zhuǎn)碟型機(jī)械表面曝氣機(jī)，另一種是立軸（豎軸）式的機(jī)械 曝氣機(jī)。
其中立軸式機(jī)械曝氣機(jī)又分不同類型，一類是電機(jī)及變速機(jī)構(gòu)都潛沉在水底，通過葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，自吸氣體進(jìn)入水中混合的潛水型立軸曝氣機(jī)；另一類是電機(jī)及變速機(jī)構(gòu)在上，葉輪在 水面的分體式葉輪型機(jī)械表面曝氣機(jī)；在傳統(tǒng)的立軸式葉輪曝氣機(jī)行列中，其傳動(dòng)原理或結(jié)構(gòu)差 異不大，但葉輪結(jié)構(gòu)形式又分泵（E)型葉輪、開（K)型葉輪、平板葉輪和倒傘型葉輪等。此外，還有一個(gè)類型是通過水泵吸水、注入水射器，形成噴射挾氣的泵葉輪型旋轉(zhuǎn)射流曝氣機(jī)。
上述各種類型的曝氣機(jī)都是為了相同的目的，起著同一個(gè)作用，并且全都需要大量電能供它們消耗轉(zhuǎn)換，方能達(dá)到一定的充氧曝氣的效果，它們?cè)谶\(yùn)行中的充氧效果各有千秋，但其能耗普遍較高。
毋庸置疑，即使有再髙級(jí)的設(shè)備而缺乏可行的工藝去應(yīng)用，設(shè)備發(fā)揮不了相應(yīng)的作用。反之，即使最好的污水治理工藝，如果沒有相應(yīng)的設(shè)備用以保證工藝實(shí)施，也達(dá)不到工藝要求。在污水處理行業(yè)，需要接受挑戰(zhàn)的是與先進(jìn)工藝相適應(yīng)的高效節(jié)能的曝氣設(shè)備。
1.3 倒傘型曝氣機(jī)的應(yīng)用
倒傘曝氣機(jī)工作時(shí)，曝氣池中的污水在葉輪的旋轉(zhuǎn)推進(jìn)作用下，自葉輪邊緣甩出，形成水幕，裹進(jìn)大量的空氣；葉輪由下向上呈錐型擴(kuò)大，使污水上下循環(huán)流動(dòng)，污水充分混合，液面不斷被更新；葉輪上表面面因水的流動(dòng)形成負(fù)壓，吸入空氣，故污水能與空氣進(jìn)行大面積混合，氧氣迅速溶入污水中，完成對(duì)污水的充氧作用，進(jìn)而待到了凈化效果，同時(shí)，強(qiáng)大的動(dòng)力帶動(dòng)了大量水體流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)推流作用。
1.4 本文研究?jī)?nèi)容
利用三維建模軟件建立曝氣機(jī)的三維模型，針對(duì)現(xiàn)存曝氣機(jī)出現(xiàn)的常規(guī)問題對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力分析、熱力分析、強(qiáng)度校核、撓度校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用CAE軟件生成曝氣機(jī)總裝配工程圖。
1、 了解倒傘形曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理，利用SOLIDWORKS建立倒傘型曝氣機(jī)的三維模型。
2、 利用現(xiàn)有理論，針對(duì)倒傘型曝氣機(jī)出現(xiàn)的常規(guī)問題，對(duì)曝氣機(jī)主要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)曝氣機(jī)進(jìn)行必要的強(qiáng)度校核、剛度校核、熱變形校核和穩(wěn)定性校核，并利用SOLIDWORKS SIMULATION插件對(duì)曝氣機(jī)主要部件進(jìn)行簡(jiǎn)單的有限元分析。
3、生成曝氣機(jī)總裝配工程圖，制作曝氣機(jī)模型爆炸視頻，曝氣機(jī)模型爆炸解除視頻和曝氣機(jī)正常工作運(yùn)行視頻。
2、曝氣機(jī)工作原理
2.1國(guó)內(nèi)一些具有代表性的曝氣機(jī)產(chǎn)品及其優(yōu)缺點(diǎn)
2.1.1表面曝氣機(jī)（立式）
它的主要結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，其中圖中標(biāo)號(hào)：1-電機(jī)，2-葉輪，3-浮塊，4-葉輪罩，5-導(dǎo)流管，6-平衡板，7-葉輪軸，8-下連接盤，9-上連接盤，10-連接螺栓。表面曝氣機(jī)工作時(shí)置于水中，電機(jī)位于水面以上，葉輪下半部分位于水下，電機(jī)直接帶動(dòng)葉輪作高速旋轉(zhuǎn)，由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，使污水池中具有活性物質(zhì)的污水，不斷地由導(dǎo)流管下部吸入，在葉輪作用下向上提升，并從上下連接盤間呈拋物線形噴出，形成水幕，把大量的空氣帶入水中，達(dá)到高效增氧的目的。
表面曝氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，維修方便；缺點(diǎn)是曝氣效果主要局限于上層水面，氣泡化不明顯，曝氣效率不高，不能進(jìn)行深層曝氣。
2.1.2潛水曝氣機(jī)（立式）
它的主要結(jié)構(gòu)如圖1.2，其中圖中標(biāo)號(hào)：1-潛水電機(jī)，2-泵殼，3-葉輪，4-動(dòng)力輸出軸，5-負(fù)壓罩，6-進(jìn)氣管，7-進(jìn)水導(dǎo)向漏斗，8-基座，9-出水口，10-入水口。潛水曝氣機(jī)工作時(shí)，水下的潛水電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)離心的葉輪，通過進(jìn)氣管從外界吸入空氣溶入水中。葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)周圍的水通過出水口流到周圍水域中，周圍水域的水又通過進(jìn)水導(dǎo)向漏斗和入水口流到葉輪周圍，在這個(gè)過程中使空氣溶入到水中。
潛水曝氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，氣泡砕化效果好，曝氣效率高；缺點(diǎn)是：只能用于專門的污水處理池曝氣，對(duì)于軟質(zhì)的河床、池塘等不宜使用潛水曝氣。
2.1.3轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)（水平軸）
它的主要結(jié)構(gòu)如圖1.3,，其中圖中標(biāo)號(hào)：1-曝氣盤，2-空心轉(zhuǎn)軸，3-齒輪式減速電動(dòng)機(jī)，4-聯(lián)軸器，5-軸承座。轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)支撐在軸承座上的空心轉(zhuǎn)軸和曝氣盤轉(zhuǎn)動(dòng)，曝氣盤有一部分侵入在水中，通過轉(zhuǎn)動(dòng)使水域中的水借助曝氣盤甩向空中，使水和空氣進(jìn)行混合，曝氣盤的轉(zhuǎn)動(dòng)也推動(dòng)附近水域的流動(dòng)。
轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，服務(wù)面積大，氣泡碎化效果好；缺點(diǎn)是：安裝不方便，只能用于專門的污水處理池，無法在河流、池塘、湖泊中應(yīng)用，曝氣效果主要局限于上層水中，無法在深層水域曝氣。
2.1.4倒傘曝氣機(jī)（豎直軸）
倒傘曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1.4所示，其中圖中標(biāo)號(hào)：1-電動(dòng)機(jī)，2-聯(lián)軸器，3-減速箱，4-潤(rùn)滑系統(tǒng)，5-升降平臺(tái)，6-地基平面，7-靜水面，8-到傘座，9-葉輪。倒傘曝氣機(jī)由機(jī)械動(dòng)力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，葉輪上均布的葉片環(huán)向推流甩水，但是到目前為止，包括美國(guó)、德國(guó)和荷蘭在內(nèi)的發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的倒傘曝氣機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、葉輪形狀、安裝方式及動(dòng)力效果幾乎都徘徊在原有水平，未曾有大的突破。由于攪拌葉片基本都是采用大角度倒錐、寬葉片直輻布置，相應(yīng)的攪拌和提升能力較弱，完全依靠平推能力是不可能完全阻止無你在氧化溝中的沉降的。只有在處理水域的周邊形成輻射循環(huán)，并形成水域的上下循環(huán)，才能更好的使空氣中的氧溶入水中，讓有機(jī)物、微生物和氧之間充分混合、接觸，從而達(dá)到凈化的目的。
要想更好地實(shí)現(xiàn)葉輪四周和平行于葉輪軸的推流，形成更大的空穴，挾裹更多的空氣進(jìn)入，并且使氣泡碎化，需要不等變徑并按照一定規(guī)律排列的弧面葉片組合。根據(jù)現(xiàn)有理論研究的結(jié)果，變徑曲面弧形葉片，按照非等變角對(duì)數(shù)螺旋線升序排列，具有更為優(yōu)越的推流攪拌能力，由于葉片的流體特性，能形成載流體的旋流和噴射，從而擁有更加優(yōu)良的充氧曝氣性能，并且這種組合也有利于降低功率的損耗。
2.2曝氣機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理分析
2.2.1曝氣機(jī)的結(jié)構(gòu)
2.2.2 倒傘形曝氣機(jī)工作原理
倒傘形曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1.5所示，其主要組成部分：由電動(dòng)機(jī)、減速器（根據(jù)需要可有可無）、機(jī)座、傳動(dòng)件和葉輪；此外還有密封系統(tǒng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)。倒傘曝氣機(jī)工作時(shí)，曝氣池中的污水在葉輪的旋轉(zhuǎn)推進(jìn)作用下，自葉輪邊緣甩出，形成水幕，裹進(jìn)大量的空氣；葉輪由下向上呈錐型擴(kuò)大，使污水上下循環(huán)流動(dòng)，污水充分混合，液面不斷被更新；葉輪上表面面因水的流動(dòng)形成負(fù)壓，吸入空氣，故污水能與空氣進(jìn)行大面積混合，氧氣迅速溶入污水中，完成對(duì)污水的充氧作用，進(jìn)而待到了凈化效果，同時(shí)，強(qiáng)大的動(dòng)力帶動(dòng)了大量水體流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)推流作用。
2.2.3 曝氣池結(jié)構(gòu)要求
普通曝氣池：可合建、分建圓形或方形的曝氣池，形式和尺寸由設(shè)計(jì)者自行決定。
建議：
圓形池：葉輪直徑與池直徑之比為1∶4.5～7，宜取中值。
方形池：葉輪直徑與池邊長(zhǎng)之比為1∶4～7，宜取中值。
水深小于葉輪直徑的3倍，一般取葉輪直徑的1.5倍。
完全混合型曝氣池所需功率密度一般不宜小于25W/m3。
氧化溝：溝寬約為葉輪直徑的2.2～2.4倍，宜取中值；溝深約為溝寬的0.5倍。氧化溝功率密度應(yīng)不小于15W/m3，合適功率為20W/m3。
注意：
1.氧化溝內(nèi)不宜設(shè)置立柱。如需設(shè)置，立柱至葉輪邊緣的距離應(yīng)大于葉輪直徑且為圓柱。
2.氧化溝中間隔墻至葉輪邊緣間距以0.04～0.08倍葉輪直徑為宜。
3.曝氣機(jī)處如未設(shè)置導(dǎo)流墻，倒傘葉輪的中心距應(yīng)向出水方向偏0.08～0.1被葉輪間距為宜。
4.機(jī)座底面距設(shè)計(jì)水面應(yīng)大于400mm。
3.倒傘形曝氣機(jī)工作條件和工作特性
倒傘形曝氣機(jī)安裝在戶外，工作時(shí)間為24h/天，且需保持聯(lián)系運(yùn)轉(zhuǎn)，其主軸跨距較大，工作環(huán)境惡劣，維修維護(hù)不方便。
3.1 主軸撓度
主軸跨度大，易產(chǎn)生撓曲變形。當(dāng)主軸發(fā)生撓曲變形時(shí)，設(shè)備的工作負(fù)荷相應(yīng)增大，同時(shí)在聯(lián)軸器及軸承座密封處產(chǎn)生角度位移，從而影響聯(lián)軸器的正常工作、軸承的使用壽命和密封效果，為保證設(shè)備的正常運(yùn)行，其撓度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，一般要求主軸撓度為1/1000——1/500（mm）。
3.2 主軸軸向伸縮量
倒傘型曝氣機(jī)安裝于戶外，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，因熱脹冷縮的影響，曝氣機(jī)主軸的軸向尺寸會(huì)發(fā)生改變。環(huán)境溫度變化范圍取值為-20℃~+50℃，主軸軸向伸縮量按式（1）計(jì)算：
(1)
式中 α——線膨脹系數(shù)，11.5×m/（m·℃)；
L——主軸長(zhǎng)度，L=850mm;
T——環(huán)境溫度變化量，℃。
經(jīng)計(jì)算主軸軸向伸縮量L=0.685mm。
3.3軸向力
曝氣機(jī)安裝在氧化溝中，污水在曝氣機(jī)的作用下在氧化溝中循環(huán)流動(dòng)，因氧化溝渠道近似為環(huán)形，水流方向與曝氣機(jī)葉片形成一定角度，水流對(duì)曝氣機(jī)葉片將產(chǎn)生沖擊形成軸向力，因葉輪面積很大，使得葉輪受力面積很大（葉輪直徑800mm，工作水深1200mm），所產(chǎn)生的軸向力最大取5000N。
3.4軸承布置
倒傘型曝氣機(jī)一般選用圓錐滾子軸承和軸端止推軸承配合，以滿足主軸定心和承受軸向力的要求，特別是倒傘型曝氣機(jī)功率很大時(shí)，葉輪、葉片直徑也會(huì)很大，相應(yīng)的軸向力也很大，采用此種軸承配合方式應(yīng)是比較合理的。但是，因倒傘形曝氣機(jī)主軸比較長(zhǎng)，撓曲變形發(fā)生的可能性也比較大；而且因軸承跨距大，對(duì)軸承座孔的對(duì)中性和軸承的裝配要求很高，從而對(duì)加工精度和裝配精度有更高要求，進(jìn)而提高了設(shè)備的成本，增加了設(shè)備生產(chǎn)周期。
軸承座采用骨架橡膠密封，因加工、主軸撓度及安裝誤差，在曝氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有角度偏差，造成橡膠密封圈與軸偏心，此時(shí)密封圈與軸之間的彈性變形減小、消失或者產(chǎn)生間隙，造成密封性能不佳，潤(rùn)滑油滲漏，或者雜質(zhì)進(jìn)入軸承做內(nèi)，影響軸承使用壽命。
3.5葉輪葉片
由于攪拌葉片基本都是采用大角度倒錐、寬葉片直輻布置（如圖3.1），相應(yīng)的攪拌和提升能力較弱，完全依靠平推能力是不可能完全阻止無你在氧化溝中的沉降的。只有在處理水域的周邊形成輻射循環(huán)，并形成水域的上下循環(huán)，才能更好的使空氣中的氧溶入水中，讓有機(jī)物、微生物和氧之間充分混合、接觸，從而達(dá)到凈化的目的。而且如此設(shè)計(jì)的葉片曝氣效率也不甚理想，溶氧率也不高，其在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用范圍也越加受到限制。
圖3.1 一般葉輪結(jié)構(gòu)
4. 倒傘型曝氣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
4.1 主軸
對(duì)于倒傘型曝氣機(jī)主軸，一般選用無縫鋼管，材質(zhì)為45鋼；但是本文論述的曝氣機(jī)結(jié)構(gòu)比較小，主軸直徑也較小，若選用無縫鋼管，在通過鍵連接傳遞動(dòng)力時(shí)，傳力效果不佳，且易損壞主軸，故此選用實(shí)心軸，材料選為45鋼。45鋼綜合力學(xué)性能都比較好，能較好的滿足主軸撓度要求和機(jī)械性能要求。
圖4.1 主軸結(jié)構(gòu)圖
4.2 聯(lián)軸器
根據(jù)工作條件，聯(lián)軸器需滿足如下要求：容許因倒傘型曝氣機(jī)裝配誤差和主軸撓曲變形產(chǎn)生的角度偏差，可承受水流對(duì)葉輪產(chǎn)生的軸向力（+5000N），可傳遞工作扭矩，并具有2倍的安全裕度。
鼓形齒聯(lián)軸器：鼓形齒聯(lián)軸器的內(nèi)齒半聯(lián)軸器與減速機(jī)輸出軸通過平鍵連接，并傳遞扭矩。調(diào)心滾子軸承的內(nèi)圈通過鎖緊螺母固定于減速機(jī)輸出軸，并將內(nèi)齒半聯(lián)軸器軸向定位。鼓形齒聯(lián)軸器的外齒半聯(lián)軸器固定于調(diào)心滾子軸承外圈，并與內(nèi)齒半聯(lián)軸器嚙合。主軸通過法蘭與聯(lián)軸器外齒半聯(lián)軸器相連。鼓形齒聯(lián)軸器的內(nèi)外齒均加工成鼓形齒，允許內(nèi)外齒聯(lián)軸器在一定角度偏差內(nèi)嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)，工作扭矩傳遞通過內(nèi)外半聯(lián)軸器嚙合傳遞至主軸，作用于倒傘型曝氣機(jī)的徑向力及軸向力作用于調(diào)心滾子軸承，由于調(diào)心滾子軸承和鼓形齒在一定的角度偏差范圍內(nèi)（≤）可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而倒傘型曝氣機(jī)由于安裝誤差和主軸撓曲變形產(chǎn)生的角度偏差遠(yuǎn)小于，因此可保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。聯(lián)軸器工作負(fù)荷由工作扭矩、徑向力和軸向力組成，其中工作扭矩通過鼓形齒嚙合傳遞，徑向力和軸向力作用于調(diào)心滾子軸承，工作負(fù)荷分別作用于不同的部件，有效地改善了工作狀況，提高了鼓形齒聯(lián)軸器的可靠性。
圖4.1 鼓形齒聯(lián)軸器示意圖
彈性柱銷聯(lián)軸器：內(nèi)外半聯(lián)軸器分別與減速機(jī)輸出軸和主軸法蘭連接，并在軸向固定。柱銷為紡錘型，材質(zhì)為尼龍66，內(nèi)外半聯(lián)軸器齒頂加工成圓弧面，允許內(nèi)外半聯(lián)軸器在一定角度偏差范圍內(nèi)（≤）正常運(yùn)轉(zhuǎn)。分別固定于聯(lián)軸器上的擋圈限制尼龍柱銷的軸向移動(dòng)。尼龍柱銷與內(nèi)外半聯(lián)軸器為過盈配合，保證每只尼龍柱銷受力均勻。尼龍柱銷抗壓強(qiáng)度大，可有效傳遞工作扭矩，其安全西施大于5，使用壽命長(zhǎng)。同時(shí)，尼龍柱銷拆裝方便，拆卸時(shí)不需要拆卸減速機(jī)和主軸，只需將聯(lián)軸器法蘭拆除，將需要更換的柱銷頂出，并將新的柱銷壓入即可。
4.3 軸承布置
軸承座為一端固定一端游動(dòng)布置，密封方式采用機(jī)械密封。軸承座的結(jié)構(gòu)為調(diào)心滾子軸承、機(jī)械密封用鎖盡螺母固定于軸頭，通過內(nèi)設(shè)油道引入調(diào)心軸承油槽口形成軸承潤(rùn)滑油路。軸承內(nèi)圈由鎖緊螺母固定，游動(dòng)端外圈浮動(dòng)，固定端外圈通過密封栓固定，并設(shè)有唇形密封圈，以防止漏油。經(jīng)此改進(jìn)后，因軸承配置為一端固定一端游動(dòng)，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，主軸因熱脹冷縮而產(chǎn)生的軸向尺寸變化可通過游動(dòng)端軸承外圈沿軸承座軸向伸縮，消除了因兩端固定式軸承布置限制主軸軸向尺寸變化而引起的作用于聯(lián)軸器及軸承座的熱應(yīng)力。因角度偏差發(fā)生于軸承外部，其內(nèi)部空間尺寸在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持不變，保證機(jī)械密封壓緊力恒定，密封摩擦不發(fā)生錯(cuò)位、偏移，保證了機(jī)械密封良好的工作條件。
4.4 葉輪葉片
要想更好地實(shí)現(xiàn)葉輪四周和平行于葉輪軸的推流，形成更大的空穴，挾裹更多的空氣進(jìn)入，并且使氣泡碎化，需要不等變徑并按照一定規(guī)律排列的弧面葉片組合。根據(jù)現(xiàn)有理論研究的結(jié)果，變徑曲面弧形葉片，按照非等變角對(duì)數(shù)螺旋線升序排列（如圖4.2所示），具有更為優(yōu)越的推流攪拌能力，由于葉片的流體特性，能形成載流體的旋流和噴射，從而擁有更加優(yōu)良的充氧曝氣性能，并且這種組合也有利于降低功率的損耗。
圖4.2 葉輪優(yōu)化結(jié)構(gòu)
葉輪軸端采用自鎖螺母和錐面定位，錐面定位可保證葉輪和主軸的軸線對(duì)中性，且具有自動(dòng)對(duì)心的功能，使得裝配精度由加工精度保證，定位方便，裝拆也很容易。
5.曝氣機(jī)強(qiáng)度校核
利用SOLIDWORKS建立倒傘型曝氣機(jī)的模型后，根據(jù)曝氣機(jī)的使用要求和工作環(huán)境對(duì)曝氣機(jī)的主要部件進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度校核、剛度校核、溫度性校核和使用壽命校核。
5.1曝氣機(jī)主軸校核
因曝氣機(jī)主軸比較重要，主軸又很長(zhǎng)，故需要對(duì)主軸進(jìn)行必要的強(qiáng)度校核和剛度校核，而熱變形校核計(jì)算前文已給出，這里不再贅訴。
5.1.1曝氣機(jī)主軸強(qiáng)度校核
因曝氣機(jī)主軸主要受拉壓力和扭轉(zhuǎn)力，基本不受彎曲力或者彎曲力矩作用，因此曝氣機(jī)主軸屬于傳動(dòng)軸，應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算。
軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核公式為：
（2）
式中：——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，；
T——軸所受的扭矩，；
——軸的抗扭截面系數(shù)，mm；
n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；
P——軸傳遞的功率，；
d——計(jì)算截面處軸的直徑，mm；
——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，；
根據(jù)倒傘型曝氣機(jī)型號(hào)，選得電機(jī)功率為=7.5，轉(zhuǎn)速為n=1400，傳遞效率為聯(lián)軸器傳遞效率=0.98（包括軸承效率），則；軸上最小直徑為24mm，因軸的材料為45鋼，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，可得45鋼的扭轉(zhuǎn)許用切應(yīng)力
=25~45
將所得數(shù)據(jù)代入式（2）中得：
=25~45
故此，曝氣機(jī)主軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度滿足要求。
此外，主軸由于受到水流的反推作用受壓，因此，還需校核主軸抗壓應(yīng)力是否滿足要求。
軸的壓縮校核公式：
(3)
式中：——為軸所受的壓力，N；
A——為軸的最小截面，；
——軸的壓應(yīng)力，；
——軸的許用壓應(yīng)力，；
可知，軸所受壓力為=5000N，軸最小截面，將所得數(shù)據(jù)代入式（3）中，可知
顯然壓應(yīng)力也滿足要求。
綜上所述，曝氣機(jī)主軸滿足強(qiáng)度要求。
5.1.2曝氣機(jī)主軸剛度校核
曝氣機(jī)主軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或者扭轉(zhuǎn)變形。若變形超過允許限度，就會(huì)影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适?yīng)有的工作性能。曝氣機(jī)主軸比較長(zhǎng)，剛性較差，為保證曝氣機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需對(duì)曝氣機(jī)主軸進(jìn)行剛度校核，又因?yàn)槠貧鈾C(jī)主軸只受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力和壓應(yīng)力，故對(duì)曝氣機(jī)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度校核。
軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長(zhǎng)的扭轉(zhuǎn)角來表示，圓軸扭轉(zhuǎn)角[單位為（）/]的計(jì)算公式為：
階梯軸 （4）
式中： ——軸所受的扭矩，；
——軸的材料的剪切彈性模量，，對(duì)于鋼材，；
——軸截面的極慣性矩，，對(duì)于圓軸，；
——階梯軸受扭矩作用的長(zhǎng)度，；
、、——分別代表階梯軸第段上所受的扭矩、長(zhǎng)度和極慣性矩，單位同前；
——階梯軸受扭矩作用的軸段數(shù)。
——為軸每米長(zhǎng)的允許扭轉(zhuǎn)角，與軸的使用場(chǎng)合有關(guān)。對(duì)于一般傳動(dòng)軸，可取~（）/m；對(duì)于精密傳動(dòng)軸，可取~（）/m；對(duì)于精度要求不高的軸，可大于（）/m。
可知曝氣機(jī)主軸不考慮壓力時(shí)，只受鍵的作用，因此軸上受扭轉(zhuǎn)力矩作用段只在兩鍵之間，且各段扭轉(zhuǎn)力矩大小相同，都為；；而由軸的結(jié)構(gòu)尺寸可得：
將數(shù)據(jù)代入式（4）中，得：
顯然成立，故曝氣機(jī)主軸滿足剛度要求。
5.1.3 曝氣機(jī)主軸壓桿穩(wěn)定性校核
曝氣機(jī)主軸比較長(zhǎng)，主軸支撐軸承跨距大，且又因?yàn)橹鬏S受到來自水流的壓力，故需校核主軸的壓桿穩(wěn)定性。壓桿的穩(wěn)定性校核公式為：
（5）
式中：——軸所受的壓力，；
——軸的彈性模量，；
——壓桿支撐之間的最小截面的極慣性矩，；
——壓桿的長(zhǎng)度因數(shù)，因壓桿約束條件為一端固定一端游動(dòng)，故；
——軸支撐之間的距離，；
——壓桿允許承受的最大壓力，；
可知，曝氣機(jī)主軸所受的壓力為；曝氣機(jī)主軸材料為45鋼，彈性模量范圍為196~215，取中值；曝氣機(jī)主軸支撐之間為圓桿，其極慣性矩為；曝氣機(jī)主軸支撐之間的距離為；將上訴數(shù)據(jù)代入中，得：
取安全系數(shù)，而
(6)
代入數(shù)據(jù)得
顯然，，因此曝氣機(jī)主軸滿足壓桿穩(wěn)定性要求。
綜上所述，經(jīng)校核后，曝氣機(jī)主軸能夠滿足所需的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度要求、扭轉(zhuǎn)剛度要求、壓桿穩(wěn)定要求和熱變形要求。
5.2曝氣機(jī)調(diào)心滾子軸承壽命校核
倒傘型曝氣機(jī)軸承型號(hào)為（調(diào)心滾子軸承），其內(nèi)徑為，外徑為，軸承寬度，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知，對(duì)于代號(hào)為23507調(diào)心滾子軸承，其額定動(dòng)載荷為,額定靜載荷為。因曝氣機(jī)為24h連續(xù)工作的機(jī)械，其軸承預(yù)期使用壽命可取為=40000h，滾動(dòng)軸承使用壽命校核公式：
（7）
式中：——滾動(dòng)軸承基本額定壽命，；
——滾動(dòng)軸承額定動(dòng)載荷，；
——滾動(dòng)軸承當(dāng)量動(dòng)載荷，；
——與滾動(dòng)軸承配合軸的轉(zhuǎn)速，；
——為滾動(dòng)軸承壽命指數(shù)，對(duì)于球軸承，；對(duì)于滾子軸承，。
根據(jù)已差得的數(shù)據(jù)，滾動(dòng)軸承額定動(dòng)載荷；曝氣機(jī)主軸轉(zhuǎn)速；滾動(dòng)軸承當(dāng)量動(dòng)載荷
(8)
式中：——載荷系數(shù)，與載荷性質(zhì)有關(guān)，因曝氣機(jī)工作時(shí)，只有輕微沖擊，故此??；
、——分別為徑向動(dòng)載荷系數(shù)和軸向動(dòng)載荷系數(shù)，因倒傘型曝氣機(jī)調(diào)心滾子軸承主要承受軸向力，徑向力很小，故相當(dāng)于只承受軸向載荷，于是有；將上訴數(shù)據(jù)代入式（8）中，可得：
。
將上訴所得的數(shù)據(jù)代入式中，可得：
即調(diào)心滾子軸承23507滿足倒傘型曝氣機(jī)的使用壽命要求。
5.3曝氣機(jī)聯(lián)軸器強(qiáng)度校核
因曝氣機(jī)主軸很長(zhǎng)，主軸發(fā)生撓曲變形的可能性比較大，從而使得主軸和聯(lián)軸器之間會(huì)發(fā)生軸線的相對(duì)位移偏差，而彈性柱銷聯(lián)軸器允許主軸可以有一定的相對(duì)位移偏差，故此，采用型彈性柱銷聯(lián)軸器，為滿足使用要求，對(duì)型彈性柱銷聯(lián)軸器進(jìn)行強(qiáng)度校核，校核公式為：
（9）
式中：——軸上所傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，；
——工作情況系數(shù)；
——公稱轉(zhuǎn)矩，；
由前文所述知，；查工作情況系數(shù)表，得曝氣機(jī)的工作情況系數(shù)；查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，中，型彈性柱銷聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩；將上訴數(shù)據(jù)代入式
取安全系數(shù),則
即，從中查得型彈性柱銷聯(lián)軸器許用轉(zhuǎn)矩為,許用最大轉(zhuǎn)速為，軸頸為，故此聯(lián)軸器滿足使用要求和強(qiáng)度要求。
5.4 曝氣機(jī)鍵連接強(qiáng)度校核
倒傘型曝氣機(jī)中有三處鍵連接，且都為平鍵連接，平鍵連接主要失效形式是工作面被壓潰，故此需要分別對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，并且假定所有載荷在鍵的工作面上均與分布，普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為：
（10）
式中：——傳遞的轉(zhuǎn)矩；
——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，此處為鍵的高度，；
——鍵的工作長(zhǎng)度，，圓頭平鍵，平頭平鍵，這里為鍵公稱長(zhǎng)度，；為鍵的寬度，；
——軸的直徑，；
——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，；
5.4.1電機(jī)與聯(lián)軸器鍵連接強(qiáng)度校核計(jì)算
由上述所得結(jié)果知，鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩為；此處鍵的尺寸為，故 ；軸的直徑；鍵、軸的材料皆為45鋼，輪轂的材料為35鋼，故查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，知35鋼的許用擠壓應(yīng)力，將上訴數(shù)據(jù)代入式
（11）
得
故此處鍵連接滿足連接強(qiáng)度要求。
5.4.2聯(lián)軸器與主軸鍵連接強(qiáng)度校核計(jì)算
此處鍵連接傳遞的轉(zhuǎn)矩也為；此處平鍵尺寸為，即，主軸直徑；鍵、軸的材料都為45鋼，輪轂材料為35鋼，輪轂材料的許用擠壓應(yīng)力較弱，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，此處鍵連接許用擠壓應(yīng)力為，將所得數(shù)據(jù)代入式（11）中，
得
即此處鍵連接強(qiáng)度滿足使用要求。
5.4.3主軸與葉輪鍵連接強(qiáng)度計(jì)算
此處鍵連接傳遞的轉(zhuǎn)矩也為；此處平鍵尺寸為，即，；此處軸的尺寸，此處軸、鍵、輪轂材料均為45鋼，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，鍵連接許用擠壓應(yīng)力取為；將所得數(shù)據(jù)代入式（11）中，
得
即，此處鍵連接也滿足強(qiáng)度要求。
綜上所述，倒傘型曝氣機(jī)三處鍵連接均滿足連接強(qiáng)度要求，且安全系數(shù)很高，也符合曝氣長(zhǎng)時(shí)間工作的需求，保證其可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
6.倒傘型曝氣機(jī)的有限元分析
在對(duì)曝氣機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度校核后，為了直觀的表達(dá)校核情況，利用SOLIDWORKS SIMULATIONXPRESS插件對(duì)曝氣機(jī)主要部件和整機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的有限元分析，以進(jìn)一步的明確曝氣機(jī)部件性能的優(yōu)劣。
6.1 曝氣機(jī)主軸的有限元分析
倒傘型曝氣機(jī)主軸在工作過程中，主要承受水流的反推力和扭矩，推力大小，扭矩大小，則對(duì)倒傘型曝氣機(jī)主軸的有限元分析過程如下：
圖6.1 曝氣機(jī)主軸支撐和作用力與扭矩
圖6.2 曝氣機(jī)主軸劃分網(wǎng)格
圖6.3 曝氣機(jī)主軸應(yīng)力分析結(jié)果圖
圖6.5 曝氣機(jī)主軸合位移分析圖
在對(duì)倒傘型曝氣機(jī)主軸添加支撐和力與扭矩，劃分網(wǎng)格，進(jìn)行模擬分析后，發(fā)現(xiàn)曝氣機(jī)主軸應(yīng)力分布大致比較均勻，主軸上最大應(yīng)力仍處于許用應(yīng)力以下，說明曝氣機(jī)主軸的強(qiáng)度滿足使用要求；而曝氣機(jī)主軸的應(yīng)變分析結(jié)果則不甚理想，特別是主軸上右端截面最小處，應(yīng)變位移最大，這可能主要在于曝氣機(jī)主軸過長(zhǎng)，而曝氣機(jī)截面尺寸又比較小所致，為改善這一狀況，可根據(jù)需要適當(dāng)增大曝氣機(jī)主軸尺寸，以提高曝氣機(jī)主軸剛性，減小曝氣機(jī)主軸的撓曲變形程度，改善曝氣機(jī)主軸的正常工作時(shí)的運(yùn)行狀況。
6.2倒傘型曝氣機(jī)葉輪有限元分析
倒傘型曝氣機(jī)葉輪在工作過程中主要受到水流的反推力和水流作用在葉片對(duì)葉輪產(chǎn)生的扭矩，而葉片在曝氣機(jī)工作過程中，主要承受水流的反推力，由上文所得數(shù)據(jù)知，葉輪受到的推力大小,葉片受到的壓力約為，根據(jù)所得數(shù)據(jù)，對(duì)曝氣機(jī)葉輪及葉片進(jìn)行有限元分析如下：
圖6.6 倒傘型曝氣機(jī)葉輪添加固定孔約束
圖6.7 倒傘型曝氣機(jī)葉輪添加壓力
6.8 倒傘型曝氣機(jī)葉片添加壓力
6.9倒傘型曝氣機(jī)葉輪葉片受力效果圖
圖6.10 倒傘型曝氣機(jī)葉輪劃分網(wǎng)格
6.11 倒傘型曝氣機(jī)葉輪有限元分析結(jié)果圖
6.12 倒傘型曝氣機(jī)葉輪應(yīng)力分析結(jié)果
6.13 倒傘型曝氣機(jī)葉片應(yīng)力分析結(jié)果
6.14 倒傘型曝氣機(jī)葉片應(yīng)變分析結(jié)果
根據(jù)對(duì)倒傘型曝氣機(jī)葉輪及葉片的有限元分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，葉輪上最大應(yīng)力處為葉輪邊緣的葉片處，而此處葉片最大應(yīng)力為葉片直徑最大處，同時(shí)，葉輪葉片最大應(yīng)變量也發(fā)生在此處。但是，根據(jù)有限元分析的結(jié)果，葉片最大應(yīng)力處，應(yīng)力值不足40，最大應(yīng)變量不足0.2mm,因此，可以認(rèn)為，經(jīng)過現(xiàn)有理論結(jié)論設(shè)計(jì)出的倒傘型曝氣機(jī)葉輪形式不僅可以大大提高曝氣效率，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也能夠以較大安全系數(shù)滿足使用要求。
7.致謝詞
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